《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種雙田字型太赫茲波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計(jì)方法
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
王 穎,，張斌珍,，段俊萍,，孫玉潔
中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，山西 太原030051
摘要： 基于分支線耦合原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙“田”字型的太赫茲波導(dǎo)定向耦合器,。在分支線靠近中間部位插入一條橫向貫穿三分支線的橫線,，用同樣的方法形成兩分支線，可以有效提高帶寬,。分支線底部即在靠近波導(dǎo)寬邊的地方進(jìn)行了加粗,，目的是增加分支線的應(yīng)力，提高加工的可行性,。使用電磁仿真軟件HFSS對(duì)該耦合器進(jìn)行分析和優(yōu)化,，結(jié)果顯示，該耦合器在313～383 GHz頻帶內(nèi)耦合度為6.3±0.2 dB,，且耦合度具有較好的平坦性,，接近于一條直線，隔離度小于-20 dB,平均插入損耗為0.6 dB,，接近于0 dB,，每個(gè)端口的回波損耗小于-20 dB。
中圖分類號(hào)： TN822+.8
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.171504
中文引用格式： 王穎,，張斌珍,，段俊萍，等. 一種雙田字型太赫茲波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計(jì)方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2018,，44(1)：88-90，95.
英文引用格式： Wang Ying,，Zhang Binzhen,，Duan Junping，et al. A design of terahertz waveguide directional coupler with double "tian-shape"[J]. Application of Electronic Technique,，2018,，44(1)：88-90，95.

A design of terahertz waveguide directional coupler with double "tian-shape"
Wang Ying,，Zhang Binzhen,，Duan Junping，SunYujie
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,，Ministry of Education， North University of China，Taiyuan 030051,，China
Abstract： The terahertz waveguide directional coupler with double "tian-shape" is designed basing on the directional coupling principle of branch line. A transverse line is added across the three branch lines to form a "tian-shape " structure. And the same method can be utilized to form a double-"tian-shape" structure, which is mainly designed to increase the bandwidth. The branch lines closed to the waveguide width edge are bolding to increase stress and then the feasibility of processing will be improved. The coupler is analyzed and optimized by professional electromagnetic simulation software high-frequency structure simulator(HFSS). The results show that the coupling degree is 6.3±0.2 dB in the range of 313 GHz to 383 GHz. It has great coupler degree which is almost close to the straight line in the whole frequency band. The isolation degree is less than -20 dB and the average insertion loss almost close to 0 dB. The return loss in each port of the directional coupler are both less than -20 dB.
Key words : directional coupler,；double "tian-shape"；coupling degree,；waveguide

0 引言

    太赫茲波是指頻率為0.1～10 THz的電磁波[1],，定向耦合器作為一種有著方向性的功率分配器件，它能夠通過(guò)控制輸出信號(hào)的大小來(lái)定向的耦合傳輸信號(hào)[2],。其中波導(dǎo)定向耦合器[3]由于其突出性能(如具有較高的方向性和較低的插入損耗等),，在微波領(lǐng)域中用途十分廣泛，在通信系統(tǒng),、電子對(duì)抗,、雷達(dá)系統(tǒng)和測(cè)試測(cè)量?jī)x器中都有著重要作用。其主要用途有對(duì)功率進(jìn)行分配和合成,、擴(kuò)大功率量程,、監(jiān)視功率和頻譜[4]，在系統(tǒng)中耦合器主要性能表現(xiàn)為在最小的干擾下對(duì)主信號(hào)獲得較精確的耦合信號(hào),。其主要指標(biāo)有方向性,、耦合度、插入損耗等,。為了解決太赫茲頻段信號(hào)的采集和測(cè)量存在的難題,，研究出體積小且性能高的太赫茲波導(dǎo)定向耦合器具有重要意義[5]。

    本文設(shè)計(jì)的耦合器,，以分支線理論為基礎(chǔ),，在中間部分加一橫向貫穿的支線形成兩個(gè)田字來(lái)提高工作帶寬，對(duì)分支線底部進(jìn)行加粗來(lái)提高加工的可行性,；用HFSS軟件仿真,，結(jié)果較好，有較高的方向性,、強(qiáng)耦合度和較低的插入損耗,；以硅為材料，用MEMS刻蝕工藝對(duì)其進(jìn)行加工,，并且給出了實(shí)物圖,。

1 波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計(jì)

    如圖1所示，在兩波導(dǎo)中間有一些等間距排列的孔,，信號(hào)從端口1輸入,，從端口2和端口3輸出，端口4無(wú)輸出(因?yàn)槠錇楦綦x端)[6],。從端口1到端口4的功率分別為P1～P4,，理想狀態(tài)下P4的值為0,，但是在實(shí)際工作中仍會(huì)有小部分信號(hào)從端口4輸出。

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    為了使耦合信號(hào)滿足一定的分布,，可以通過(guò)調(diào)整耦合孔的位置和大小來(lái)使反向波的振幅達(dá)到最小[7],，即使隔離端的信號(hào)輸出達(dá)到最小，從而實(shí)現(xiàn)有效增加帶寬和提高方向性的目的,。

    基于這個(gè)原理,，在分支線中間部位加入一橫向貫穿3支線的窄槽形成一個(gè)田字型，用同樣的方法形成雙田字,，從而有效增加帶寬,。對(duì)靠近波導(dǎo)寬邊的分支線根部進(jìn)行加粗是為了提高應(yīng)力，使得在進(jìn)行刻蝕步驟時(shí)不易斷裂,，提高加工的可行性,。耦合器模型圖如圖2所示。

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    波導(dǎo)定向耦合器主要指標(biāo)之間存在一定的關(guān)系,，即如果想要耦合度達(dá)到較好的平坦性,，那么帶寬和方向性將會(huì)降低；若要達(dá)到較高的方向性,，那么就要犧牲工作帶寬和耦合度平坦性,。耦合度和耦合度平坦性是耦合器最重要的指標(biāo)之一，用HFSS軟件仿真,，且綜合考慮主要指標(biāo)之間的關(guān)系后確定了最優(yōu)尺寸,，各參數(shù)代表的物理意義和各參數(shù)的值分別如圖3和表1所示。

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    a和b分別表示靠近波導(dǎo)寬邊的加粗部位的高度和長(zhǎng)度,，c表示兩分支線的距離,，l為兩波導(dǎo)之間的距離。

2 波導(dǎo)定向耦合器的仿真和優(yōu)化

    該波導(dǎo)定向耦合器使用商業(yè)軟件HFSS進(jìn)行仿真和優(yōu)化,，在該模型中輸入和輸出采用WR-2.2標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo),，其尺寸為0.56 mm×0.28 mm。

    圖4(a)和圖4(b)分別為波導(dǎo)定向耦合器S參數(shù)曲線圖和各端口回波損耗圖,。從圖4(a)中可知,，插入損耗S21接近于0 dB，隔離度S41小于-20 dB,，耦合度S31在工作帶寬內(nèi)為-6.3 dB,，屬于強(qiáng)耦合，耦合度平坦性是耦合器的重要指標(biāo)之一,，它關(guān)系到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確與否,。曲線波動(dòng)越小，測(cè)量結(jié)果越精確,。S31曲線近乎于一條直線,，說(shuō)明該耦合器具有較好的耦合度平坦性,。從圖4(b)可知，各端口的回波損耗小于-20 dB,。

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    對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),，耦合孔的高度即兩波導(dǎo)寬邊的距離l對(duì)耦合度影響較大，其他參數(shù)對(duì)結(jié)果也有一定影響,。給l設(shè)置一定的變化范圍，從0.15 mm～0.4 mm之間變化,，間隔為0.05 mm,，圖5給出了耦合度S31隨耦合孔的高度l變化的關(guān)系曲線。隨著l的增加,，耦合度曲線先逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)逐漸趨于平穩(wěn),，隨后曲線向反方向傾斜且在高頻段出現(xiàn)了毛刺，即S31圍繞著某一點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),，該點(diǎn)大概在中心頻率附近,。綜合考慮耦合度和方向性等指標(biāo)之間的關(guān)系，最后選取l=0.30 mm,。

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    圖6為耦合器電場(chǎng)分布圖,，色譜上部分表示高電場(chǎng)，下部分表示低電場(chǎng),，電場(chǎng)分布主要集中在低電場(chǎng)部分,。從圖6中可知，從端口1輸入的大部分信號(hào)通過(guò)直通波導(dǎo)從端口2輸出,，僅有一小部分信號(hào)從耦合端口3輸出,，端口4被隔離，無(wú)信號(hào)輸出,。

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3 波導(dǎo)定向耦合器的工藝及實(shí)現(xiàn)方案

    由于太赫茲頻段較高,，波導(dǎo)定向耦合器尺寸微小，為微米級(jí)別,，對(duì)加工精度有著較高的要求,，一般的機(jī)械加工難以滿足其要求，在高頻段設(shè)備尺寸的改變對(duì)電磁波傳輸性能有著較大的影響[8],。

    圖7為太赫茲波導(dǎo)定向耦合器的加工工藝流程,。圖7(a)以硅片為基底，勻膠,；圖7(b)光刻出圖形并顯影,；圖7(c)對(duì)硅片進(jìn)行刻蝕，形成通孔,；圖7(d)除去掩膜層,，濺射50 nm的金屬鈦,，然后濺射金屬金、電鍍,，由趨膚深度公式[9]可知金的厚度要達(dá)到3 μm,，其中鈦的作用是作為粘附層，增加金和硅片的粘附力,；圖7(e)在一定的溫度和壓力條件下進(jìn)行金-金鍵合,。圖8為鍵合工藝簡(jiǎn)圖，用另外兩片薄硅片濺射上一定厚度的金屬金在一定條件下進(jìn)行鍵合,，使其形成封閉腔室且使結(jié)構(gòu)內(nèi)部金屬化,。

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    在深硅刻蝕的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，硅的側(cè)壁陡直度[10]達(dá)不到90°,，側(cè)壁越傾斜,，對(duì)后續(xù)硅片的金屬化影響越嚴(yán)重，則對(duì)耦合器性能影響也越大,，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)側(cè)壁陡直度可以達(dá)到89.5°,，影響較小。圖9為耦合器實(shí)物圖,。

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4 結(jié)論

    本文主要討論了工作頻率在313～383 GHz太赫茲波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計(jì)與制作,，介紹了多孔耦合原理，使用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口（WR-2.2）在分支線耦合原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙田字型結(jié)構(gòu),，相比于分支線結(jié)構(gòu)和單田字型結(jié)構(gòu),，雙田字型結(jié)構(gòu)有效增加了帶寬和提高了方向性。通過(guò)優(yōu)化耦合孔的各個(gè)尺寸來(lái)完成其寬頻帶的設(shè)計(jì),，該耦合器帶寬為70 GHz,，具有高方向性和強(qiáng)耦合度，且耦合度曲線有較好的平坦性,。介紹了基于MEMS工藝的制作流程,，通過(guò)深硅刻蝕工藝來(lái)完成主要部分的加工，可以很好地控制好耦合孔的厚度,，使耦合孔厚度效應(yīng)不顯著,，并且可以保證耦合孔尺寸的精度，保證耦合器的各項(xiàng)性能,。在保證加工高精度要求的前提下,，同時(shí)也滿足了定向耦合器的小型化，使結(jié)構(gòu)緊湊,，這在固有的機(jī)械領(lǐng)域是很難實(shí)現(xiàn)的,。該設(shè)計(jì)為高性能太赫茲波段耦合器的設(shè)計(jì)及加工工藝提供了一定參考，為大批量生產(chǎn)耦合器提供了一定的借鑒,。

參考文獻(xiàn)

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